NSTYTT NAWGACJ MRSKEJ ZAKŁAD ŁĄCZNŚC CYBERNETYK MRSKEJ ATMATYK ELEKTRNKA KRĘTWA LABRATRM ELEKTRNK Stdia dzienne ro stdiów Specjalności: TM, RM, PHiN, RAT, PM, MS ĆWCZENE NR 8 WZMACNACZE Jerzy Hreczycho, Piotr Majzner, Marcin Mąa Szczecin 2007
8. WZMACNACZE 8.1. Pytania ontrolne. 1. Wyjaśnij, jaie rządzenie nazywamy wzmacniaczem? 2. Podaj lasyfiację wzmacniaczy ze względ na różne przyjęte ryteria. 3. Podaj podstawowe parametry wzmacniaczy. 4. Narysj i scharateryzj schemat zastępczy ład wzmacniającego. 5. Scharateryzj i opisz poszczególne parametry wzmacniaczy. - wzmocnienia, - sprawność - impedancje wejściowe i wyjściowe - parametry znamionowe - pasmo przenoszenia - zares dynamicznej pracy 6. Wymień i scharateryzj charaterystyi wzmacniaczy. 7. pisz doładnie charaterystyi częstotliwościowe wzmacniaczy. 8. Scharateryzj charaterystyę dynamiczną (przejściową ) wzmacniacza. 9. pisz znieształcenia liniowe wzmacniacza. 10. pisz znieształcenia nieliniowe wzmacniacza. 11. pisz wzmacniacze wielostopniowe. 12. Scharateryzj wzmacniacze mocy 13. Scharateryzj wzmacniacze seletywne (strojone, rezonansowe). 14. Co to jest sprzężenie zwrotne? Podaj podstawowe zależności. 15. Co to jest dodatnie sprzężenie zwrotne (DSZ)? 16. Co to jest jemne sprzężenie zwrotne (SZ)? 17. W jaim cel stosje się SZ? 18. Podaj lasyfiację SZ. 19. Wyjaśnij wpływ SZ na parametry wzmacniacza. 8.2. pis ład pomiarowego. Zestaw przyrządów : a. ład badany; b. oscylosop dwanałowy, c. zasilacz 9V, d. generator przebiegów sinsoidalnych; pis ład badanego. ład słada się z jednej płyti zasilanej napięciem stałym 9V. Zawiera typowy najprostszy wzmacniacz jednostopniowy zbdowany na tranzystorze T. Sygnał wejściowy z generatora podaje się na jedno z wejść W e1 lb W e2. ba wejścia różnią się tylo pojemnością sprzęgająca (ondensatory C 1 i C 2 ). Wyjście sygnał wzmocnionego obserwje się za pomocą oscylosop z gniazd Wy Wzmacniacz może pracować jao wzmacniacz szeroopasmowy - wtedy jao obciążenie oletora występje rezystancja R, lb jao wzmacniacz rezonansowy - wtedy w obwodzie oletora występje ład rezonansowy LC. Sygnał wyjściowy zdejmowany jest z oletora tranzystora poprzez pojemność sprzęgająca C 3. Możliwe jest obserwowanie sygnał wzmocnionego bez dołączania rezystancji wyjściowej (R wy1 i R wy2 odłączone) lb z dołączeniem rezystancji wyjściowej. Mogą one na przyład reprezentować rezystancje wejściową dołączonego do wzmacniacza innego rządzenia lb rezystancje wejściową olejnego stopnia wzmacniającego 1
Rys. 8.2.1. Schemat ład badanego. 8.3. Wyonanie ćwiczenia Do ład badanego dołączyć napięcie zasilania 9V (tylo za zgodą prowadzącego). 8.3.1. Badanie charaterystyi przejściowej wzmacniacza wy = f( we ) Wzmacniacz przełączyć na wzmacniacz szeroopasmowy (obciążenie rezystancyjne oletora). Połączyć ład ja na rys. 8.3.1. ZASLACZ 9V GENERATR SN. WE1 WZMACNACZ WY A SCYLSKP B stawić na generatorze: f = 10 Hz. Rys. 8.3.1. Schemat połączeń do badania charaterystyi przejściowej. Napięcie z generatora podłączyć do gniazd W WE1, odłączyć ewentalne podłączone obciążenia - R 1 i R 2. Zdjąć charaterystyę przejściową (dynamiczną) wzmacniacza wy = f( we ) stawiając na oscylosopie amplitdę napięcia wejściowego - we od 50 mv co 50 mv: we = {50, 100, 150, } [mv] mierząc amplitdę napięcia wyjściowego - wy na drgim anale oscylosop. bserwjąc ształt napięcia wyjściowego oreślić przy jaiej amplitdzie napięcia wejściowego wystąpiły wyraźne znieształcenia sygnał na wyjści.. 2
8.3.2. Badanie pasma przenoszenia wzmacniacza szeroopasmowego dla różnych pojemności sprzęgających dłączyć ewentalne podłączone obciążenia - R 1 i R 2. stawić amplitdę napięcia wejściowego: we = 150 mv a. Generator przebieg sinsoidalnego podłączyć do wzmacniacza przez pojemność sprzęgającą: C 1 = 0.1 μf (gniazda We1) Zdjąć charaterystyę częstotliwościową wzmacniacza wy = f(f) mierząc amplitdę napięcia na wyjści - wy. zmieniając częstotliwość f od 10 Hz do 100 Hz: f = {10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 100 000} [Hz] b. Generator przebieg sinsoidalnego podłączyć do wzmacniacza przez pojemność sprzęgającą: C 2 = 0.01 μf (gniazda We2) Zdjąć charaterystyę częstotliwościową wzmacniacza wy = f(f) mierząc amplitdę napięcia na wyjści - wy. zmieniając częstotliwość f od 10 Hz do 100 Hz: f = {10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 100 000} [Hz] 8.3.3. Badanie pasma przenoszenia wzmacniacza rezonansowego dla rożnych rezystancji wyjściowych Wzmacniacz przełączyć na wzmacniacz rezonansowy (obciążenie LC oletora). Generator przebieg sinsoidalnego podłączyć do wzmacniacza przez pojemność sprzęgającą C 1 = 0.1 μf (gniazda We1). stawić amplitdę napięcia wejściowego: we = 15 mv Zdjąć charaterystyę częstotliwościową wzmacniacza rezonansowego wy = f(f) mierząc amplitdę napięcia na wyjści wy zmieniając częstotliwość f w zaresie od 12 do 28 Hz co 1 Hz: f = {12, 13, 28} [Hz] dla trzech rożnych rezystancji wyjściowych R wy : a. R wy = (abel obciążenia odłączony) b. R wy = 620 Ω c. R wy = 110 Ω Wsazówa: dla raz stawionej częstotliwości pomierzyć trzy napięcia dla trzech różnych rezystancji wyjściowych 8.4. Sprawozdanie W sprawozdani należy zamieścić: charaterystyę przejściową wzmacniacza; oreślenie wzmocnienia wzmacniacza dla liniowej części charaterystyi przejściowej; opisanie charater znieształceń występjących dla zbyt dżego sygnał wejściowego wraz z wyjaśnieniem powodów ich występowania; charaterystyi częstotliwościowe wzmacniacza szeroopasmowego (na jednym wyresie) dla dwóch rożnych pojemności sprzęgających, z osią częstotliwości narysowaną w sali logarytmicznej; oreślenie pasma przenoszenia wzmacniacza szeroopasmowego (zaznaczyć na wyresie) dla dwóch rożnych pojemności sprzęgających; 3
oreślenie wzmocnienia w paśmie przenoszenia wzmacniacza szeroopasmowego dla dwóch rożnych pojemności sprzęgających; wyjaśnienie, ja wpływa pojemność sprzęgająca na pasmo przenoszenia i ształt charaterystyi częstotliwościowej wzmacniacza szeroopasmowego; charaterystyi częstotliwościowe wzmacniacza rezonansowego dla rożnych rezystancji obciążenia (na jednym wyresie); oreślenie pasma przenoszenia dla wzmacniacza rezonansowego dla rożnych rezystancji obciążenia (zaznaczyć na wyresie); oreślenie wzmocnienia dla częstotliwości rezonansowej wzmacniacza rezonansowego dla rożnych rezystancji obciążenia; wyjaśnienie dlaczego dołączenie rezystancji obciążenia pogarsza charaterystyę wzmacniacza rezonansowego; własne wniosi i spostrzeżenia. Wsazówi do sprawozdania: Pasmo przenoszenia B dowolnej charaterystyi oreślamy jao różnicę częstotliwości granicznej górnej f g i częstotliwości granicznej dolnej f d. B = f g f d Częstotliwość graniczną dolną i górną pasma przenoszenia oreśla się jao częstotliwości przy tórej poziom sygnał wyjściowego jest mniejszy od masymalnego sygnał wyjściowego o 3db lb inaczej jeżeli poziom sygnał wyjściowego jest mniejszy o o. 0.707 masymalnego sygnał wyjściowego WYMAX WY ( f d = ) WYMAX WY ( f g = ) 1 0.707 2 Wzmocnienie dowolnej charaterystyi można oreślić jao stosne masymalnego sygnał wyjściowego do sygnał wejściowego V WYMAX = WE V Często wzmocnienie wyraża się w decybelach, wtedy wzór na wzmocnienie wygląda następjąco: WYMAX = 20 log [ db] WE 4
8.5.1. Definicja wzmacniacza. Wzmacniaczem nazywamy ład, w tórym osztem niewieliej energii eletrycznej można sterować więszą energią dostarczoną ze źródła zasilania do odbiornia, czyli wzmacniać sterjący sygnał eletryczny. naczej można powiedzieć, że wzmacniaczem jest rządzeniem, w tórym energia ze źródła zasilania jest zamieniana na energię sygnał wyjściowego w sposób zależny od wejściowego sygnał sterjącego. Wzmacniacz msi więc posiadać czynny element sterjący tai ja lampy trioda lb pentoda, czy też tranzystory - bipolarny lb niopolarny. Element czynny sterje przepływem energii ze źródła zasilania do obciążenia. Wzmacniacz posiada obwód wejściowy (wejście), do tórego dostarczony jest sygnał sterjący (wzmacniany), posiada obwód wyjściowy (wyjście), do tórego dołącza się odbiorni wzmocnionego sygnał (obciążenie) rys. 8.5.1. Rys. 8.5.1. Schemat bloowy wzmacniacza i jego symbole graficzne Niezbędnym elementem zapewniającym pracę wzmacniacza jest źródło zasilania. We wzmacniacz zwięszana jest moc sygnał wejściowego czyli iloczyn P=. Można to osiągnąć przez zwięszenie tylo jednego z czynniów tego iloczyn, a więc wzmocnienie prąd lb napięcia. 8.5.2. Klasyfiacja wzmacniaczy W zależności od typ wzmacnianej wielości eletrycznej rozróżniamy wzmacniacze prądowe wzmacniacz na wyjści wzmacnia prąd wejściowy, napięciowe wzmacniacz wzmacnia sygnał napięciowy i najczęściej stosowane wzmacniacze mocy - na wyjści wzmacniacza zysje się odpowiednio wzmocnioną moc sygnał wejściowego. W zależności od zastosowanego element sterowanego wzmacniacze dzielimy na tranzystorowe oraz lampowe stosowane dawniej, obecnie prawie nie spotyane. Przyjmjąc jao ryterim podział zares częstotliwości wzmacnianych sygnałów rozróżnia się wzmacniacze prąd stałego (wzmacniają prąd stały i sygnały od częstotliwości zerowej) do oreślonej częstotliwości górnej granicznej, wzmacniacze małej częstotliwości (m.cz.) i wzmacniacze wieliej częstotliwości (w.cz.) rys. 8.5.2. W eletronice ważną cechą wzmacniaczy jest ich zdolność do wzmocnienia tylo sygnałów o częstotliwościach leżących w wąsim przedziale, na ogół woół pewnej częstotliwości środowej (stosne granicznej częstotliwości górnej f g do dolnej f d jest blisi jedności). Wzmocnienie tych wzmacniaczy raptownie maleje zarówno dla częstotliwości mniejszych, ja i więszych od częstotliwości środowej f o. Wzmacniacze taie nazywamy seletywnymi (często rezonansowymi). nny typ wzmacniaczy możliwia wzmacniane sygnałów w masymalnie szeroim przedziale częstotliwości (dża wartość stosn częstotliwości granicznej górnej f g do dolnej f d w pratyce powyżej 10). Wzmacniacze taie nazywamy wzmacniaczami szeroopasmowymi. 5
Rys. 8.5.2. Klasyfiacja wzmacniaczy ze względ na zares wzmacnianych częstotliwości Rys. 8.5.3. Charaterystyi amplitdowe wzmacniaczy a) prąd stałego b) szeroopasmowego c) seletywnego Ze względ na rodzaj zastosowanego sprzężenia między wzmacniaczem a obciążeniem (odbiorniiem, ang: load) lb a następnym stopniem wzmacniającym rozróżnia się wzmacniacze o sprzężeni pojemnościowym (RC), transformatorowym lb bezpośrednim (galwanicznym). We Wzmacniaczach o sprzężeni RC i transformatorowym wzmacniane są wyłącznie sygnały zmienne, gdyż dzięi elementom sprzęgającym napięcie stałe z wyjścia stopnia poprzedniego lb źródła sygnał nie przedostaje się na wejście stopnia następnego (lb obciążenia). Sprzężenia taie stosje się między innymi we wzmacniaczach astycznych. We wzmacniaczach o sprzężeniach bezpośrednich wzmacniane są sygnały stałe ja i zmienne. Sprzężenia taie stosowane są na przyład we wzmacniaczach prąd stałego. Wzmacniacze lasyfije się taże w zależności od położenia spoczynowego pnt pracy na charaterystyce roboczej element sterowanego oraz amplitdy sygnał wejściowego. Rozróżnia się wzmacniacze lasy A, B, AB, i C. We wzmacniaczach lasy A spoczynowy pnt pracy jest wybierany na liniowej części charaterystyi roboczej element sterowanego (np. tranzystora), a amplitda sygnał wejściowego jest na tyle mała, że przez cały ores sygnał wejściowego element sterowany przewodzi prąd (pracje w zaresie atywnym). Jeżeli pnt pracy jest wybrany ta, że element sterowany przewodzi prąd tylo przez połowę ores (przez drga połowę ores jest zatany), to wzmacniacz pracje w lasie B. W lasie AB element sterowany przewodzi przez więsza część ores sygnał wejściowego. W lasie C element sterowany przewodzi przez mniejszą część ores sygnał wejściowego. W lasie A bdowane są wzmacniacze napięciowe, zarówno małej ja i wieliej częstotliwości. W lasie B bdje się szeroopasmowe wzmacniacze mocy a w lasie C wzmacniacze mocy seletywne. 6
Rys. 8.5.4 Wzmacniacze ze sprzężeniami: a) bezpośrednim; b) transformatorowym c) pojemnościowym RC Rys 8.5.5. Charaterystyi wzmacniaczy prąd wyjściowego o w fncji napięcia sterjącego ze względ na położenie pnt pracy Q roboczej części element sterowanego dla lasy a) A; b) B; c) AB; d) C Wzmacniacze lasy A charateryzją się najprostszą bdową, sładają się na ogół z jednego element czynnego czyli najczęściej z jednego tranzystora. Cechją się taże najmniejszą sprawnością energetyczną, gdyż nawet w przypad bra sygnał sterjącego (położenie pnt Q na charaterystyce) przez element czynny płynie prąd. Wzmacniacze lasy B sładają się na ogół z dwóch elementów czynnych, z tórych ażdy przewodzi jedna połowę ores sygnał wzmocnionego. Wzmacniacz ten charateryzje się więszą sprawnością energetyczną. Ponieważ w zaresie małych wartości sygnałów wejściowych elementy czynne charateryzją się dość dżą 7
nieliniowością pnt pracy wzmacniacza lasy B (pnt Q) przenosi się trochę powyżej zera, w ten sposób można wyeliminować znieształcenia sygnał na wyjści wzmacniacza. Powstaje wtedy wzmacniacz lasy AB. We wzmacniaczach lasy C można zastosować wiele elementów czynnych z tórych ażdy przewodzić może niewiela część sygnał wyjściowego. Znacznie zwięsza się wtedy sprawność energetyczną taiego wzmacniacza. 8.5.3. Parametry wzmacniacza Podstawowymi parametrami wzmacniaczy są: wzmocnienie (mocy, napięcia, prąd) P (jω), (jω), ;(jω); sprawność energetyczna η; impedancja wejściowe Z (jω) ( ang, inpt- wejście); impedancja wyjściowa Z (jω) ( ang, otpt- wyjście); znamionowe napięcie wejściowe, znamionowe napięcie wyjściowe (lb znamionowe moce) zn, zn, P zn, P zn ; pasmo przenoszenia wzmacniacza B; zares dynamicznej pracy wzmacniacza DW; poziom szmów własnych; poziom znieształceń nieliniowych. Ponieważ więszość parametrów zależy od częstotliwości ω=2πf, oreśla się w wiel przypadach ich zależności częstotliwościowe. 8.5.4. Wzmocnienie wzmacniacza Rys. 8.5.6. Schemat zastępczy ład wzmacniającego Wzmocnieniem napięciowym wzmacniacza nazywa się stosne napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego : = (8.5.1.) Wzmocnieniem prądowym wzmacniacza i nazywamy stosne prąd wyjściowego do prąd wejściowego : i = (8.5.2.) Wzmocnieniem mocy nazywamy stosne mocy dostarczonej do obciążenia. do mocy wejściowej: P P = = = i P (8.5.3.) Wzmocnienie wyraża się często w mierze logarytmicznej, tórej jednostą jest decybel (db). Wzmocnienia oreślane w jednostach bezwymiarowych mogą być przeliczane na decybele wedłg następjących zależności: 8
8.5.5 Sprawność wzmacniacza [ db] = 20 log = 20log i P [ db] = 20 log = 20log i P [ db] = 10 log = 10log P P (8.5.4.) (8.5.5.) (8.5.6.) Sprawnościa wzmacniacza η nazywamy stosne mocy, tórą wzmacniacz oddaje do obiążenia P, do smarycznej mocy, tórą wzmacniacz pobiera ze źródła zasilania P ZZ i ze źródła sygnał sterjącego P. Zwyle moc sygnał poberarego ze źródła sygnał jest pomijalnie mała, sprawnością energetyczna jest stosne mocy wyjściowej do mocy pobieranej ze źródła zasilania. P = P + P 8.5.6. mpedancja wejściowa i wyjściowa η (8.5.7.) ZZ P P ZZ mpedancja wejściowa Z jest to stosne napiecia wejściowego do prąd wejściowego ( jω ) ( jω ) Z ( jω ) = (8.5.8.) mpedancja wyjściowa Z jest to stosne napięcia wyjściowego przy nieobciążonym wyjści do zwarciowego prąd wyjściowego jω Z ( j ) ( ) Z L ( ) 0 jω Z L = Dla małych i średnich częstotliwosci, gdy przesnięcie fazowe między napięciami a prądami wyjściowymi są pomijalnie małe, części rojone tych impedancji są blisie zer. Można wówczas mówić o rezystacjach wejściowej R i wyjściowej R : R = (8.5.10.) = ω = (8.5.9.) R = (8.5.11.) Znajomość oporności wejściowych i wyjściowych wzmacniacza jest szczególnie ważna z wagi na warni dopasowania oporności. ptymalne dopasowanie wzmacniacza do żródła sygnał i obciążenia zysje się wówczas gdy oporność wejściowa jest równa opornosci żródła a oporność wyjściow równa oporności obciążenia. Dopszcza się dołączenie do wzmacniacza żródła sygnał o oporności mniejszej niż oporność wejściowa i obciażenia o oporności więszej niż oporność wyjściowa. Niedopszczalna jest natoniast odwrotna relacja miedzy opornościami, gdyż prowadzi to do pojawienia się znieształceń, a w srajnym przypad może doprowadzić do zniszczenia wzmacniacza. 8.5.7. Znamionowe napięcie wyjściowe, znamionowe napiecie wyjsciowe Znamionowym napięciem wejściowym zn (lb moca wejściową P zn ) nazywamy wartość napięcia wejściowego (lb mocy wejściowej), przy tórym wzmacniacz oddaje do obciażenia oreślona wymaganiami technicznymi moc wyjściową P zn (znamionową) lb na obciążeni występje 9
znamionowe napięcie wyjściowe zn. Więszość parametrów wzmacniacza podawana jest dla wartości znamionowej napięcia (mocy) wejściowego. naczej można powiedzieć, że wartości znamionowe to wartości przy tórych wzmacniacz zwyle pracje i osiąga podane parametry. 8.5.8. Pasmo przenoszenia wzmacniacza. Pasmo przenoszenia jest to zares czestotliwości wzmacnianych sygnałów, dla tórego moc wyjściowa wzmacniacza nie zmniejsza się poniżej 50% mocy zysiwanej w środ pasma Pasmo przenoszenia B dowolnego wzmacniacza oreślamy jao różnicę częstotliwości granicznej górnej f g i częstotliwości granicznej dolnej f d. B = (8.5.12.) f g f d Częstotliwość graniczną dolną i górną pasma przenoszenia oreśla się jao częstotliwości przy tórej poziom sygnał wyjściowego jest mniejszy od masymalnego sygnał wyjściowego o 3dB lb inaczej, jeżeli poziom sygnał wyjściowego jest mniejszy o o. 0.707 masymalnego sygnał wyjściowego max max 1 = = 0.707 f f 2 (8.5.13.) ( ) ( ) 8.5.9. Zares dynamicznej pracy wzmacniacza d Zaresem dynamicznej pracy wzmacniacza nazywamy dopszczalne wartości amplitd sygnałów wejściowych (np. napięć wejściowych od min do max ), dla tórych amplitda sygnał wyjściowego jest proporcjonalna do amplitdy sygnał wejściowego ze współczynniiem proporcjonalności równym wzmocnieni. = f ( ) (8.5.14.) Dla napięć sygnał wejściowego mniejszych od min sygnał jest masowany przez szmy własne wzmacniacza. min jest najczęściej oreślane poziomem szmów własnych wzmacniacza. Dla napięć wejściowych więszych od max sygnał wyjściowy wzmacniacza będzie niedopszczalnie znieształcony, gdyż wste przeciążenia element atywnego będzie zmniejszało się jego wzmocnienie. Zares dynamiczny wzmacniacza oreśla się podając jego przejściową charaterystyę amplitdową lb stosne napięcia wejściowego masymalnego do napięcia minimalnego: 8.5.10. Charaterystyi wzmacniacza D g m ax W = (8.5.15.) min Charaterystyi wzmacniaczy są jednym z najczęściej stosowanych elementów oreślających ich parametry. Wyróżnić możemy ila typów charaterysty: amplitdowo częstotliwościowa; fazowo częstotliwościowa; dynamiczna (przejściowa); 8.5.11. Charaterystyi częstotliwościowe - amplitdowa i fazowa Charaterystya amplitdowa oreśla zależność wzmocnienia wzmacniacza od częstotliwości, =f(f). Na osi odciętych znajdje się częstotliwość, najczęściej w sali logarytmicznej. Na osi rzędnych znajdje się wzmocnienie napięciowe, prądowe lb mocy. Nieiedy podczas badań wzmacniacza na osi Y wyreślamy napięcie wyjściowe przy stałym poziomie napięcia wejściowego = const. Przy oreślonej częstotliwości lb w oreślonym paśmie częstotliwości charaterystya osiąga masimm oreślone jao max. Na charaterystyce amplitdowej zaznaczyć 10
można pasmo przenoszenia wzmacniacza B, oraz częstotliwości graniczne dolną f d i górną f g. Rys. 8.5.7. Charaterystyi częstotliwościowe wzmacniaczy: a) amplitdowa; b) fazowa. Z charaterystyi fazowej wzmacniacza φ = f(f) oreśla się przesnięcie fazowe między sygnałami wejściowym i wyjściowym. Dodatowo można zaobserwować przesnięcie między wzmocnionymi sygnałami o różnych częstotliwościach. Ma to szczególne znaczenie przy oreśleni znieształceń liniowych wzmacniacza. 8.5.12. Charaterystya dynamiczna Charaterystya dynamiczna zwana inaczej przejściową przedstawia zależność napięcia wyjściowego w fncji napięcia wejściowego = f( ). dczytać z niej można zaresy napięć wejściowych min i imax, zaresy napięć wyjściowych omin i omax, dla tórych wzmacniacza zachowje stałe wzmocnienie. Minimalne napięcie wejściowe oreślone jest przez poziom szmów własnych wzmacniacza. Masymalne natomiast, warnowane jest od element atywnego wzmacniacza. Dla pewnych wartości napięcia wyjściowego wzmacniacz jaby się nasycił. Dalszy wzrost napięcia wejściowego powyżej imax nie spowodje jż wzrost napięcia wyjściowego, znieształcając dodatowo jego ształt. Przyład charaterystyi przejściowej podaje rys 8.5.8. max min max Rys. 8.5.8. Charaterystya dynamiczna (przejściowa) wzmacniacza 8.5.13. Znieształcenia liniowe wzmacniacza W ażdym ładzie wzmacniającym występją elementy, tórych właściwości transmisyjne zależą od częstotliwości lb od spoczynowego pnt pracy i amplitdy sygnałów. Elementy reatancyjne są przyczyną nierównomiernego wzmocnienia i różnego przesnięcia fazowego poszczególnych sładowych harmonicznych wzmacnianego sygnał. Powodje to zmianę ształt wzmacnianych sygnałów oresowych (jeżeli nie są harmoniczne) nawet wówczas, gdy w ładzie wzmacniacza nie ma elementów nieliniowych. Znieształcenia tego typ nazywamy znieształceniami 11
liniowymi. (rys.8.5.8) Znieształcenia sygnał spowodowane niejednaowym wzmocnieniem jego sładowych harmonicznych nazywa się znieształceniami częstotliwościowymi. Znieształcenia sygnał spowodowane niejednaowym przesnięciem fazowym poszczególnych sładowych harmonicznych sygnał nazywa się znieształceniami fazowymi. Do oceny tych znieształceń jest wyorzystywana charaterystya fazowa wzmacniacza. Jeżeli dla wzmacniacza ąt przesnięcia fazowego jest proporcjonalny do częstotliwości, to tai wzmacniacz nie wnosi znieształceń fazowych, czyli nie powodje zmiany ształt wzmacnianych sygnałów (zależnej od przesnięć fazowych), a jedynie przeswa sygnał w czasie. Dopszczalne wartości znieształceń częstotliwościowych i fazowych zależą od przeznaczenia wzmacniacza. Na przyład jao dopszczalne przyjmje się znieształcenia częstotliwościowe od il decybeli (2-4dB) dla wzmacniaczy astycznych do dziesiątych lb setnych części decybeli dla wzmacniaczy pomiarowych. Znieształcenia fazowe są mało istotne we wzmacniaczach astycznych, gdyż cho ldzie pratycznie ich nie wychwytje, natomiast są bardzo ważne we wzmacniaczach pomiarowych. Wzmacniacz nie wnoszący znieształceń liniowych powinien mieć w roboczym zaresie częstotliwości równomierną charaterystyę amplitdową oraz stałą lb liniową charaterystyę fazową. 8.5.14. Znieształcenia nieliniowe wzmacniacza Występjące we wzmacniacz elementy o nieliniowych charaterystyach prądowonapięciowych (tranzystory, transformatory) są przyczyną innego rodzaj deformacji ształt sygnał, zwanych znieształceniami nieliniowymi. Znieształcenia te są stiem zależności wzmocnienia wzmacniacza od amplitdy wzmacnianego sygnał, dlatego nazywane są również znieształceniami amplitdowymi. Przy sinsoidalnym sygnale wejściowym prąd wyjściowy nie jest sinsoidalny. Jest znieształcony, a więc jest przebiegiem złożonym z przebieg o częstotliwości sygnał wejściowego (podstawowej) i sładowych prąd o więszych częstotliwościach, będących wielorotnościami częstotliwości podstawowej. Widmo sygnał wyjściowego zawiera obo sładowej podstawowej sładowe harmoniczne wyższego rzęd. m ształt sygnał wyjściowego bardziej odbiega od sinsoidy, tym amplitdy jego sładowych harmonicznych są w więsze i jest ich więcej w sygnale wyjściowym. Dlatego też znieształcenia nieliniowe wnoszone przez wzmacniacz i jego nieliniowość ocenia się przez podanie współczynnia h. Jest on równy stosnowi stecznej wartości występjących na wyjści harmonicznych napięcia (lb prąd) o częstotliwości podstawowej: 2 2 2 + 3 + K h = (8.5.16.) 1 gdzie: 1, 2, 3,... amplitdy lb steczne wartości pierwszej, drgiej, trzeciej itd. harmonicznych napięcia wyjściowego. Ponieważ nieliniowymi charaterystyami prądowo-napięciowymi elementów wzmacniających są zazwyczaj nieliniowe pojawiają się we wzmacniaczach znieształcenia zwane intermodlacyjnymi. Powstają one w wyni zmieszania (modlacji) na nieliniowej charaterystyce dwóch sładowych sygnał wejściowego o różnych częstotliwościach (np. harmonicznych). W sygnale wyjściowym o różnych częstotliwościach pojawiają się wówczas niepożądane sładowe o częstotliwościach równych smie i różnicy częstotliwości sładowych sygnał wejściowego. 8.5.15. Wzmacniacze wielostopniowe Gdy jest wymagane wzmocnienie więsze od możliwego do zysania w pojedynczym stopni wzmacniającym (wzmacniacz jednostopniowym), wówczas stosje się wzmacniacze wielostopniowe, czyli sładające się z wiel stopni pojedynczych. W taich wzmacniaczach poszczególne stopnie wzmacniające są połączone ta, że napięcie wyjściowe stopnia poprzedniego jest jednocześnie napięciem wejściowym stopnia następnego. Taie połączenie pojedynczych stopni wzmacniających jest nazwane połączeniem asadowym. Poszczególne stopnie mogą być połączone bezpośrednio (wyjście stopnia poprzedniego jest zwarte galwanicznie z wejściem stopnia następnego) - jest to wzmacniacz ze sprzężeniem bezpośrednim pojemnościowo (wyjście stopnia poprzedniego jest 12
połączone poprzez ondensator o odpowiednio dżej pojemności z wejściem stopnia następnego) - jest to wzmacniacz ze sprzężeniem pojemnościowym lb transformatorowo (sygnał wyjściowy stopnia poprzedniego jest przez transformator podawany na wejście stopnia następnego) - jest to wzmacniacz ze sprzężeniem transformatorowym. Rys. 8.5.9. Schemat dwstopniowego wzmacniacza ze sprzężeniem pojemnościowym W dwstopniowym wzmacniacz ze sprzężeniem pojemnościowym (rys. 8.5.9.) rezystory R b1 i R c1 oraz R b2 i R c2 stanowią obwód polaryzacji stalający spoczynowy pnt pracy tranzystorów T 1 i T 2. Kondensator sprzęgający C 2 zastosowano w cel oddzielenia napięć stałych występjących w pierwszym i drgim stopni (pnty pracy tych stopni są od siebie niezależne), natomiast ondensatory C 1 i C 3 oddzielają napięcia stałe występjące we wzmacniacz od źródła sygnał i obciążenia (Źródło sygnał i obciążenie nie wpływają na pnt pracy tranzystorów T 1 i T 2 ). Wzmocnienie dwóch stopni połączonych asadowo jest równe iloczynowi wzmocnień poszczególnych stopni 1 i 2. Na podstawie rys. 8.5.9. można zaobserwować: 3 2 3 = = = 1 2 (8.5.17.) 1 1 Ponieważ modł wzmocnienia jest często wyrażany w jednostach logarytmicznych, można zapisać: czyli: 2 20lg = 20lg 1 + 20lg 2 (8.5.18) ( ) db ( 1 ) db + ( 2 ) db = (8.5.19) Z właściwości fncji logarytmicznej wynia więc, że wypadowe wzmocnienie wzmacniacza wyrażone w db jest równe smie wzmocnień wyrażonych w decybelach poszczególnych stopni. 8.5.16. Bdowa najprostszego wzmacniacza jednostopniowego Najprostszym wzmacniacze zbdowanym na jednym tranzystorze jest wzmacniacz w ładzie wspólnego emitera (WE) słada się on z jednego tranzystora bipolarnego npn (rys. 8.5.10.). 13
Rys. 8.5.10. Schemat wzmacniacza w ładzie WE Rezystancje R 1, R 2, R E, R C tworzą obwód polaryzacji stałoprądowej tranzystora oreślający jego spoczynowy pnt pracy, przy czym R C + R E jest jednocześnie obciążeniem statycznym (dla prądów stałych) tranzystora. Rezystancja R E, włączona w pętli stałoprądowego jemnego sprzężenia zwrotnego, zapewnia stabilizację pnt pracy. Zadaniem ondensatora blojącego o pojemności C E jest zwieranie do masy sygnał zmiennego. Dla częstotliwości f sygnał, przy tórej reatancja pojemnościowa ondensatora 1/2πfC E jest blisa zer, w ładzie nie występje jemne sprzężenie zwrotne dla sygnał zmiennego. Pojemności C B B i CC powodją, że przez źródło wzmacnianego sygnał E G, ja i przez rezystancje obciążenia R L nie przepływają stałe prądy, lecz tylo sygnał wzmacniany. Tym samym źródło sygnał i obciążenie są odseparowane od tranzystora dla napięć stałych i nie wpływają na jego spoczynowy pnt pracy. 8.5.17. Wzmacniacze mocy W ażdym wzmacniacz, oprócz zwięszania amplitdy sygnał (napięcia lb prąd), następje również wzmocnienie mocy. Wzmacniaczem mocy jest wzmacniacz, tórego zadaniem jest dostarczenie do obciążenia (np. głośnia we wzmacniaczach astycznych) odpowiednio dżej mocy żytecznej wzmacnianego sygnał. Są to przeważnie wzmacniacze o dżym wzmocnieni prądowym i małym (zwyle blisim 1) wzmocnieni napięciowym. Dlatego też stopnie poprzedzające wzmacniacz mocy powinny dostarczać sygnał o odpowiednio dżej amplitdzie, wystarczającej do jego wysterowania. Głównymi parametrami roboczymi oreślającymi właściwości wzmacniacza mocy są: masymalna żyteczna moc wyjściowa sygnał Pomax; sprawność energetyczna η, oreślana stiem żytecznej mocy wyjściowej do mocy dostarczanej ze źródła zasilania; znieształcenia nieliniowe oreślane zawartością harmonicznych w sygnale wyjściowym przy wymszeni sinsoidalnym o oreślonej częstotliwości; pasmo przenoszenia oraz ształt charaterystyi amplitdowo-częstotliwościowej. Przy projetowani wzmacniaczy mocy dąży się więc do zapewnienia wymaganej żytecznej mocy wyjściowej sygnał, przy ja najwięszej sprawności energetycznej ład i możliwie najmniejszych znieształceniach nieliniowych. Klasyfiacja wzmacniaczy mocy względnia dwa podstawowe ryteria: położenie spoczynowego pnt pracy tranzystorów na charaterystyce przejściowej c ( BE ); rozróżnia się t cztery lasy wzmacniaczy :A, B, C i AB. rodzaj sprzężenia wyjścia wzmacniacza z obciążeniem; stosje się sprzężenie transformatorowe (oddzielające sładową stałą od obciążenia) oraz beztransformatorowe (pojemnościowe lb bezpośrednie). 14
8.5.18. Podstawowe wymagania stawiane wzmacniaczom mocy Podstawowe wymagania stawiane wzmacniaczom mocy, tzn. dża moc wyjściowa przy masymalnej sprawności energetycznej i minimalnych znieształceniach impliją rozwiązania onstrcyjne stosowane w tych wzmacniaczach. Parametry i stopień mocowego wyorzystania element wzmacniającego (tranzystora) zależą od przyjętej lasy pracy wzmacniacza. Przy przejści od lasy A, przez AB, B do C wzrasta sprawność energetyczna i stopień mocowego wyorzystania tranzystora, lecz zwięszają się znieształcenia nieliniowe. Z tego względ we wzmacniaczach mocy małej częstotliwości (astycznych) są stosowane tylo lasy A, AB i B. Klasa C, ze względ na dże znieształcenia, jest stosowana tylo w seletywnych wzmacniaczach mocy wieliej częstotliwości, w ładach powielaczy częstotliwości. 8.5.19. Wzmacniacze seletywne Wzmacniaczami seletywnymi (inaczej pasmowymi, środowoprzepstowymi) są nazywane wzmacniacze wzmacniające tylo sygnały o częstotliwości zawartej w wąsim przedziale (paśmie) woół pewnej częstotliwości środowej f 0, a stecznie tłmiące sygnały spoza tego przedział. Wzmacniacze o taich właściwościach powinny mieć odpowiednio seletywne charaterystyi amplitdowo częstotliwościowe. dealną charaterystyą amplitdowo - częstotliwościową wzmacniacza seletywnego byłaby charaterystya o ształcie prostoąta, przedstawiona linią przerywaną na rys. 8.5.11. Ponieważ zysanie taiej charaterystyi nie jest możliwe w pratyce, więc odstępstwo charaterystyi rzeczywistej od idealnej oreśla się tzw. współczynniiem prostoątności p, tóry jest miarą seletywności wzmacniacza. bo szeroości pasma przenoszenia Δf i częstotliwości środowej f 0 jest to jeden z ważniejszych parametrów, zdefiniowany wzorem: Δf p = (8.5.20.) Δ f 20 gdzie Δf jest przedziałem częstotliwości oreślonym dla spad modł wzmocnienia o 3 db poniżej modł wzmocnienia 0 dla częstotliwości środowej f 0 (czyli dla wartości 0 / 2) - jest to szeroość pasma przenoszenia wzmacniacza, Δf 20 (czyli do wartości 0 /10) rys-8.5.11a. a) b) 3dB Δ f =f g - f d 20dB f f d f o f g Δ f 20 Rys 8.5.11. Wzmacniacz seletywny a) charaterystya amplitdowo-częstotliwościowa b) schemat najprostszego wzmacniacza seletywnego zbdowanego na obwodzie rezonansowym LC Wzmacniacze seletywne są stosowane wówczas, gdy jest potrzebne wydzielenie i wzmocnienie sygnałów o częstotliwościach zawartych w oreślonym paśmie. Wymagana szeroość pasma zależy jedna od przeznaczenia wzmacniacza. Jeżeli zadaniem wzmacniacza, ja np. w woltomierz seletywnym, jest wydzielenie tylo sygnał o jednej częstotliwości z sygnał o szerszym widmie, to pasmo przenoszenia powinno być ja najmniejsze. W innym przypad, gdy wydzielony ma być np. sygnał wizyjny, pasmo przenoszenia powinno być szersze. reślenie wzmacniacze seletywne dotyczy więc dżej grpy wzmacniaczy o różnej częstotliwości środowej np. z zares m.cz. lb w.cz., różnej szeroości pasma przenoszenia i seletywności. przebieg charaterystyi częstotliwościowej wzmacniacza seletywnego decydją właściwości obwodów seletywnych 15
włączonych w jego tor wzmocnienia sygnał lb tor sprzężenia zwrotnego. 8.5.20. jemne sprzężenie zwrotnego w ładzie eletronicznym Sprzężenie zwrotne występje, gdy część sygnał wyjściowego ład jest podawana zwrotnie na jego wejście. Jeżeli ta część sygnał wyjściowego (sygnał sprzężenia zwrotnego) jest przesnięta w fazie o 180 stopni względem sygnał wejściowego, czyli ma fazę przeciwną (rys. 8.5.12), to efetywny sygnał wejściowy jest zmniejszany, mniejsze jest napięcie wyjściowe, a więc mniejsze jest taże wzmocnienie ład f = (8.5.21.) Mówimy wówczas, że w ładzie występje jemne sprzężenie zwrotne. Ten rodzaj sprzężenia zwrotnego stosje się w więszości wzmacniaczy i ładów reglacji, gdyż przede wszystim stabilizje ich charaterystyę częstotliwościową i poprawia inne parametry ład. Jeżeli przesnięcie fazowe między sygnałem sprzężenia zwrotnego a sygnałem wejściowym jest równe 0 stopni (lb 360 stopni), czyli sygnały te mają zgodną fazę (rys. 8.5.12.c), to efetywny sygnał wejściowy jest zwięszany, co powodje zwięszenie sygnał wyjściowego 0, a więc wzmocnienie (transmitancja) ład 0 / f zwięsza się. Sprzężenie taie,nazywamy dodatnim sprzężeniem zwrotnym i najczęściej stosjemy w wiel ładach oscylatorów i generatorów. Rys. 8.5.12. a) gólny schemat bloowy ład ze sprzężeniem zwrotnym; b)przyład jemnego sprzężenia zwrotnego; c) przyład dodatniego sprzężenia zwrotnego. Napięcie wyjściowe 0 może być zapisane jao: = = ± (8.5.22.) Podstawiając: ( ) f f f = β (8.5.23.) oraz dzieląc obie strony równania przez f i oznaczając: f = (8.5.24.) otrzymamy ogólną zależność, słszną dla ładów ze sprzężeniem zwrotnym: f = (8.5.25.) 1± β f 16
gdzie: f - wzmocnienie ład z zamniętą pętlą sprzężenia zwrotnego, czyli wyniowe wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym; - wzmocnienie ład z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, czyli tzw. wzmocnienie bez sprzężenia zwrotnego; β - fncja przenoszenia (transmitancja) tor sprzężenia zwrotnego. Zna + w mianowni występje dla sprzężenia jemnego, zna - dla dodatniego. Z analizy tej zależności wynia, że jeżeli iloczyn β - zwany wzmocnieniem pętli sprzężenia zwrotnego jest dla ład z jemnym sprzężeniem zwrotnym dżo więszy od 1, czyli gdy, to wzmocnienie ład ze sprzężeniem zwrotnym f = 1/β, czyli jest oreślone wyłącznie właściwościami transmisyjnymi tor sprzężenia zwrotnego. Natomiast dla ładów z dodatnim sprzężeniem zwrotnym zwięsza się wzmocnienie, lecz pogarsza stabilność i w ładzie są możliwe oscylacje na jednej z częstotliwości zares roboczego, gdy β = 1. 8.5.21. Cel stosowania jemnego sprzężenia zwrotnego w ładach jemne sprzężenie zwrotne wpływa bardzo orzystnie na więszość parametrów wzmacniaczy: poprawia stabilność wzmacniacza (ład jest mniej wrażliwy np. na wahania napięć zasilających i zmianę temperatry); zmniejsza szmy i znieształcenia (zarówno liniowe, ja i nieliniowe): zwięsza górną i dolną częstotliwość graniczna, poszerza pasmo przenoszenia wzmacniacza; możliwia ształtowanie charaterystyi częstotliwościowej; możliwia modyfiację impedancji wejściowej i wyjściowej. Efetem bocznym, czasem niepożądanym jest zmniejszenie wzmocnienia. 8.5.22. Klasyfiacja jemnego sprzężenia zwrotnego jemne sprzężenie zwrotne lasyfije się zależnie od sposob pobierania sygnał zwrotnego z wyjścia ład oraz sposob doprowadzenia go na wejście. Sygnał sprzężenia zwrotnego może być proporcjonalny do napięcia wyjściowego, mówi się wówczas o sprzężeni napięciowym, lb prąd wyjściowego, w tym przypad mówi się o sprzężeni prądowym. Gdy sygnał sprzężenia zwrotnego jest doprowadzony do wejścia szeregowo z sygnałem wejściowym, taie sprzężenie nazywa się szeregowym, gdy zaś równolegle równoległym. Rozróżnia się cztery podstawowe łady z jemnym sprzężeniem zwrotnym: napięciowo szeregowym; napięciowo równoległym; prądowo równoległym; prądowo szeregowym. 8.5.23. Wpływ jemnego sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza Ze wzor na wzmocnienie napięciowe w ładzie z jemnym sprzężeniem zwrotnym wynia, że przy silnym sprzężeni wartość iloczyn β jest znacznie więsza od jedności, w związ z czym wzór praszcza się do postaci: 1 f = = (8.5.26.) β β co powodje, że wzmocnienie wzmacniacza przestaje zależeć od parametrów elementów wzmacniających a jest zależne jedynie od rezystancji w ładzie sprzężenia zwrotnego. Stanowi to podstawę do bdowy wzmacniaczy operacyjnych o bardzo stabilnym wzmocnieni. Znieształcenia w ładzie z jemnym sprzężeniem zwrotnym są zmniejszone tyle razy ile razy obniżone zostało wzmocnienie: 17
hf h = 1+ β (8.5.27.) gdzie: hf - współczynni znieształceń w ładzie z jemnym sprzężeniem zwrotnym, h - współczynni znieształceń w ładzie bez sprzężenia zwrotnego. Dolna graniczna częstotliwość pasma przenoszenia w ładzie z jemnym sprzężeniem zwrotnym jest obniżona wedłg wzor: f d f df = (8.5.28.) 1+ β ) Górna graniczna jest zwięszona: f gf ( = f g ( 1+ β ) (8.5.29.) gdzie: f df, f gf częstotliwości dolna i górna pasma przenoszenia w ładzie z jemnym sprzężeniem zwrotnym, f d, f g częstotliwości dolna i górna pasma przenoszenia w ładzie bez sprzężenia zwrotnego. Rezystancja wejściowa i wyjściowa przy jemnym sprzężeni równoległym zostaje zmniejszona a przy sprzężeni szeregowym zwięszona: R Z f f R Z f ( 1+ ) = R β ( + ) = Z 1 β (8.5.31.) f R = 1+ β Z = 1+ β i i i i (8.5.30.) (8.5.32.) (8.5.33.) 18